CN112835089A - 一种高浓度氚气在线测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高浓度氚气在线测量装置，属于氚气探测装置技术领域。包括密闭的探测密封室、真空耦合腔和样品密封室，样品密封室由内至外依次设置有韧致辐射靶膜、能够对韧致辐射靶膜进行加热的加热层和样品室壳体，韧致辐射靶膜材料是与β射线相互作后具有高X射线产额的高原子系数金属，探测密封室内设置有X射线的探测器；样品密封室的两端分别设置氚气进气口和氚气出气口，真空耦合腔的围合件中包含允许X射线由样品密封室进入探测密封室的部件。本发明具有可重复、高精度检测氚气量等优点。
Description
技术领域
本发明属于氚气探测装置技术领域，涉及一种高浓度氚气在线测量装置。
背景技术
氚自发衰变时释放的β射线与金属材料发生轫致辐射作用后会产生低能X射线，通过测量X射线可间接的测量氚。由于氚不与探测器接触可防止氚在探测器上残留，降低了记忆效应，该特点使得其被广泛用于高浓度氚气场所的在线测量。
用于在线监测气态氚的常用技术有电离室、气相色谱和质谱仪等。电离室的可以在线使用，但是由于对气体的化学成分敏感、记忆效应强，需要定期重新校准，并且需要在最佳条件下操作，因此其应用受到了限制。气相色谱法允许对气体混合物进行部分化学和同位素测定，但由于分析时间较长，不适合快速的过程监测，也不能在线使用。质谱分析为实时在线监测提供了可能。然而，等同重元素的干扰使光谱的相互解释变得相当困难。为了使质谱计能够正常工作，对涡轮分子泵装置的需求、灯丝失效的风险和去离子化效应进一步加剧。
在Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A(2017)中，刊登的“Characteristics of a promising tritium process monitor detectingbremsstrahlung X-rays”公开出版物中所报道的技术方案，采用不锈钢灵敏腔、镀金韧致辐射材料和NaI探头测量了氚气浓度，由于采用的不锈钢灵敏体积记忆效应太大，在线监测的探测限为1011Bq/cm3。在Fusion Engineering&Design(2013)中，刊登的“Activitymonitoring of a gaseous tritium source by beta induced X-rayspectrometry”公开出版物中所报道的技术方案，用SDD(硅漂移探测器)替换了荧光介质和光电倍增管，减少了本底的干扰，增加了信号稳定性，记忆效应降低了三个数量级，100s的探测下限为106Bq，但是不锈钢灵敏体积同样引入的较大的记忆效应。在Fusion Engineering and Design(2015)中，刊登的“Development of a compact tritium activity monitor and firsttritium measurements”公开出版物中所公开报道的技术方案，将不锈钢灵敏体积内和SDD探测器表面镀金后，记忆效应降低了两个数量级，但是只能在100Pa以下的压力下使用。在Fusion Engineering and Design(2016)中，刊登的“Investigations of theapplicability of a new accountancy tool in a closed tritium loop”公开出版物中所公开报道的技术方案，为了实现探测装置的小型化，将使用压力范围扩展到了1kPa。
由此可见，上述公开报道的技术方案未给出探测装置的重复使用性能，在压力大于1kPa范围内的使用性能还未见报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种高浓度氚气在线测量装置，本发明所要解决的技术问题是可重复、高精度对氚气进行在线检测。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种高浓度氚气在线测量装置，其特征在于，包括密闭的探测密封室、真空耦合腔和样品密封室，所述样品密封室由内至外依次设置有韧致辐射靶膜、能够对韧致辐射靶膜进行加热的加热层和样品室壳体，所述韧致辐射靶膜材料是与β射线相互作后具有高X射线产额的高原子系数金属，所述探测密封室内设置有X射线的探测器；
所述样品密封室的两端分别设置氚气进气口和氚气出气口，所述真空耦合腔的围合件中包含允许X射线由样品密封室进入探测密封室的部件。
进一步的，所述真空耦合腔由密封筒、封堵密封筒靠近样品密封室一端的入射窗板、封堵密封筒靠近探测密封室一端的出射窗板，所述入射窗板和出射窗板均为允许X射线穿透的材料制成。
进一步的，所述入射窗板为铝或碳材质制成。
进一步的，所述出射窗板为铍。
进一步的，所述探测器为NaI或高纯锗或硅漂移探头。
作为优选，所述探测器为硅漂移探头。
进一步的，所述韧致辐射靶膜的材料为金或钨或镍中的一种或几种。
韧致辐射靶膜的材料是与β射线相互作后具有高X射线产额的高原子系数金属。
作为优选，所述韧致辐射靶膜的材料为金。
进一步的，所述加热层为金属锆的涂层，嵌于韧致辐射靶膜与样品室壳体之间。
进一步的，所述探测密封室与样品密封室之间设置一密封垫。
原理在于：
本方案是一种基于韧致辐射原理(BIXS)低记忆效应氚浓度在线测量装置，氚气从氚气进气口进入样品密封室，经β衰变后与样品密封室内壁的韧致辐射靶膜相互作用产生X射线，X射线穿过入射窗板进入真空耦合腔，再穿过出射窗板进入探测密封室，经探测器检测后得到X射线的数值，然后通过电脑处理后换算成氚气对于的数值，进而实现对通过样品密封室内氚气量的检测。
通过在灵敏体积内设计加热层，使用后可以通过加热排除样品室内残留的氚气；入射窗板经过长时间使用后可拆卸更换；非接触式的测量方法可避免氚气直接在探头上附着，以上措施均可改善探测器记忆效应。
本发明通过在灵敏体积内设计加热涂层、采用可移动式样品室密封窗和非接触式的测量方法，可大大改善探测器记忆效应，具有接价格便宜、测量结果准确、测量氚气浓度高、在线测量、结构紧凑等特点。
需要阐明的还有：真空耦合腔的设置是为了隔绝样品密封室内的氚气进入探测密封室；加热层主要是通过加热以排除吸附在韧致辐射靶膜上的氚气，这是因为金属对氚气有驻留效果，通过加热的方式以驱离存留在金属内的氚气可在两次检测间隔期间排除非通入氚气对检测结果的影响，以使再次检测时探测器获得的数据为此时通过样品密封室的氚气对应的射线的数据，而不会存在上一次通气时残留在样品密封室内的氚气产生的射线；加热有利于气体驱离，可最确保绝大部分氚气在二次检测之前不留存在样品密封室内。氚气衰变会产生射线为行业常识，其它如探测器具体结构、电脑分析程序等未详尽之处为本领域公知，在此不予赘述。
本发明申请的探测装置采用可移动式韧致辐射材料和内部涂层加热设计，并通过蒙卡设计合适的尺寸，旨在降低探测装置的记忆效应、提高重复使用性能和拓宽其使用范围，与现有BIXS探测器设计有明显的差异。
由于入射窗板需要更换，本方案中，入射窗板选用廉价材料，出射窗板不需要更换，选用铍，其昂贵。
附图说明
图1是高浓度氚气在线测量装置的结构示意图。
图中，1、探测密封室；11、氚气进气口；12、氚气出气口；2、真空耦合腔；21、入射窗板；22、出射窗板；23、密封筒；3、样品密封室；31、韧致辐射靶膜；32、加热层；33、样品室壳体；4、探测器；5、密封垫。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，包括密闭的探测密封室1、真空耦合腔2和样品密封室3，样品密封室3由内至外依次设置有韧致辐射靶膜31、能够对韧致辐射靶膜31进行加热的加热层32和样品室壳体33，韧致辐射靶膜31材料是与β射线相互作后具有高X射线产额的高原子系数金属，探测密封室1内设置有X射线的探测器4；
样品密封室3的两端分别设置氚气进气口11和氚气出气口12，真空耦合腔2的围合件中包含允许X射线由样品密封室3进入探测密封室1的部件。
真空耦合腔2由密封筒23、封堵密封筒23靠近样品密封室3一端的入射窗板21、封堵密封筒23靠近探测密封室1一端的出射窗板22，入射窗板21和出射窗板22均为允许X射线穿透的材料制成。
入射窗板21为铝或碳材质制成。
出射窗板22为铍。
探测器4为NaI或高纯锗或硅漂移探头，优选为硅漂移探头。
韧致辐射靶膜31的材料为金或钨或镍中的一种或几种。韧致辐射靶膜31的材料是与β射线相互作后具有高X射线产额的高原子系数金属，优选为材金。
加热层32为金属锆的涂层，嵌于韧致辐射靶膜31与样品室壳体33之间。探测密封室1与样品密封室3之间设置一密封垫5。
原理在于：
本方案是一种基于韧致辐射原理(BIXS)低记忆效应氚浓度在线测量装置，氚气从氚气进气口11进入样品密封室3，经β衰变后与样品密封室3内壁的韧致辐射靶膜31相互作用产生X射线，X射线穿过入射窗板21进入真空耦合腔2，再穿过出射窗板22进入探测密封室1，经探测器4检测后得到X射线的数值，然后通过电脑处理后换算成氚气对于的数值，进而实现对通过样品密封室3内氚气量的检测。
通过在灵敏体积内设计加热层32，使用后可以通过加热排除样品室内残留的氚气；入射窗板21经过长时间使用后可拆卸更换；非接触式的测量方法可避免氚气直接在探头上附着，以上措施均可改善探测器4记忆效应。
本发明通过在灵敏体积内设计加热涂层、采用可移动式样品室密封窗和非接触式的测量方法，可大大改善探测器4记忆效应，具有接价格便宜、测量结果准确、测量氚气浓度高、在线测量、结构紧凑等特点。
需要阐明的还有：真空耦合腔2的设置是为了隔绝样品密封室3内的氚气进入探测密封室1；加热层32主要是通过加热以排除吸附在韧致辐射靶膜31上的氚气，这是因为金属对氚气有驻留效果，通过加热的方式以驱离存留在金属内的氚气可在两次检测间隔期间排除非通入氚气对检测结果的影响，以使再次检测时探测器4获得的数据为此时通过样品密封室3的氚气对应的射线的数据，而不会存在上一次通气时残留在样品密封室3内的氚气产生的射线；加热有利于气体驱离，可最确保绝大部分氚气在二次检测之前不留存在样品密封室3内。氚气衰变会产生射线为行业常识，其它如探测器4具体结构、电脑分析程序等未详尽之处为本领域公知，在此不予赘述。
本发明申请的探测装置采用可移动式韧致辐射材料和内部涂层加热设计，并通过蒙卡设计合适的尺寸，旨在降低探测装置的记忆效应、提高重复使用性能和拓宽其使用范围，与现有BIXS探测器4设计有明显的差异。
由于入射窗板21需要更换，本方案中，入射窗板21选用廉价材料，出射窗板22不需要更换，选用铍，其昂贵。
各部位尺寸如下：
样品室壳体33是圆筒型，内径为3cm，厚度为2cm，密封筒的内径为3.2cm，高度为2.4cm。
加热层32是一层金属锆，嵌于样品室壳体33与韧致辐射靶膜31之间，厚度在0.5cm。
韧致辐射靶膜31涂覆在加热层32上，厚度在0.0125μm-0.02μm。
入射窗板21为铝板，厚度为0.015cm，半径为1.5cm，表明涂覆0.0125μm厚的金，密封在密封筒一端；出射窗板为铍窗，厚度为0.015cm，半径为1.5cm，密封在密封筒的另一端。
密封垫为圆环，厚度为0-3cm，内半径为1.5cm，外半径为5cm。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种高浓度氚气在线测量装置，其特征在于，包括密闭的探测密封室(1)、真空耦合腔(2)和样品密封室(3)，所述样品密封室(3)由内至外依次设置有韧致辐射靶膜(31)、能够对韧致辐射靶膜(31)进行加热的加热层(32)和样品室壳体(33)，所述韧致辐射靶膜(31)材料是与β射线相互作后具有高X射线产额的高原子系数金属，所述探测密封室(1)内设置有X射线的探测器(4)；
所述样品密封室(3)的两端分别设置氚气进气口(11)和氚气出气口(12)，所述真空耦合腔(2)的围合件中包含允许X射线由样品密封室(3)进入探测密封室(1)的部件。
2.根据权利要求1所述一种高浓度氚气在线测量装置，其特征在于，所述真空耦合腔(2)由密封筒(23)、封堵密封筒(23)靠近样品密封室(3)一端的入射窗板(21)、封堵密封筒(23)靠近探测密封室(1)一端的出射窗板(22)，所述入射窗板(21)和出射窗板(22)均为允许X射线穿透的材料制成。
3.根据权利要求2所述一种高浓度氚气在线测量装置，其特征在于，所述入射窗板(21)为铝或碳材质制成。
4.根据权利要求2所述一种高浓度氚气在线测量装置，其特征在于，所述出射窗板(22)为铍。
5.根据权利要求1或2或3或4所述一种高浓度氚气在线测量装置，其特征在于，所述探测器(4)为NaI或高纯锗或硅漂移探头。
6.根据权利要求5所述一种高浓度氚气在线测量装置，其特征在于，所述探测器(4)为硅漂移探头。
7.根据权利要求1或2或3或4所述一种高浓度氚气在线测量装置，其特征在于，所述韧致辐射靶膜(31)的材料为金或钨或镍中的一种或几种。
8.根据权利要求7所述一种高浓度氚气在线测量装置，其特征在于，所述韧致辐射靶膜(31)的材料为金。
9.根据权利要求1或2或3或4所述一种高浓度氚气在线测量装置，其特征在于，所述加热层(32)为金属锆的涂层，嵌于韧致辐射靶膜(31)与样品室壳体(33)之间。
10.根据权利要求1或2或3或4所述一种高浓度氚气在线测量装置，其特征在于，所述探测密封室(1)与样品密封室(3)之间设置一密封垫(5)。
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| CN202110330978.4A CN112835089A (zh) | 2021-03-26 | 2021-03-26 | 一种高浓度氚气在线测量装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113804706A (zh) * | 2021-09-18 | 2021-12-17 | 中国工程物理研究院核物理与化学研究所 | 一种高浓度氚测量探测器及其测量方法 |
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2021
- 2021-03-26 CN CN202110330978.4A patent/CN112835089A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113804706A (zh) * | 2021-09-18 | 2021-12-17 | 中国工程物理研究院核物理与化学研究所 | 一种高浓度氚测量探测器及其测量方法 |
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